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1.1Metodología
MOSFET INCREMENTAL Y DECREMENTAL
MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta
aislada. Es un tipo especial de transistor FET que tiene una versión NPN y otra PNP.
El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal P.
MOS (Metal-Oxide Semiconductor, Field Effect Transistor) son muy parecidos a los
JFET. La diferencia entre estos estriba en que, en los MOS, la puerta está aislada
del canal, consiguiéndose de esta forma que la corriente de dicho terminal sea muy
pequeña, prácticamente despreciable. Debido a este hecho, la resistencia de
entrada de este tipo de transistores es elevadísima, del orden de 10.000 MW , lo que
les convierte en componentes ideales para amplificar señales muy débiles.
Existen dos tipos de MOSFET en función de su estructura interna: los de
empobrecimiento y los de enriquecimiento. Los primeros tienen un gran campo de
aplicación como amplificadores de señales débiles en altas frecuencias o radio-
frecuencia (RF), debido a su baja capacidad de entrada. Los segundos tienen una
mayor aplicación en circuitos digitales y sobre todo en la construcción de circuitos
integrados, debido a su pequeño consumo y al reducido espacio que ocupan.
MOSFET INCREMENTAL
El MOSFET de tipo incremental se diferencia del decremental en que no tiene canal
entre la fuente y el drenaje, solo tiene sustrato.
Diferentes representaciones MOSFET de enriquecimiento de canal n.
Las características de transferencia del JFET difieren a las encontradas en el
MOSFET de tipo incremental. Por lo tanto, la solución gráfica es diferente para los
dos casos ya vistos. Se debe tener en cuenta que para un MOSFET de tipo
incremental de canal-n, la corriente de drenaje (ID) es cero para aquellos niveles de
voltaje compuerta – fuente menores al nivel de umbral VGS (TH).
La corriente de drenaje se define como un exponencial a partir del nivel de umbral:
ID = k (VGS – VGS (TH)) 2 (5.6)
En las hojas de características técnicas se definen claramente los valores de voltaje
de umbral y un nivel de corriente de drenaje (ID (encendido)), valores que permiten
encontrar el valor de la constante k.
k = ID (encendido) / VGS (Encendido) - VGS (TH) (5.7)
Una vez se obtenga k, se podrán obtener los demás valores para ID.
Los MOS de enriquecimiento o acumulación, tienen amplia aplicación en los circuitos
integrados de alta y muy alta densidad de integración. Las memorias
semiconductoras, microprocesadores, etc. se construyen con una variante de este
semiconductor como lo es el “CMOS”.
Características de drenado y transferencia para un MOSFET del tipo incremental de canal-n.
Símbolos gráficos para los MOSFET del tipo incremental de canal-n y canal-p
MOSFET DEL TIPO INCREMENTAL DE CANAL-P
La construcción de un MOSFET de tipo incremental de canal-p es exactamente al
inverso. Esto es, ahora existe un substrato de tipo-n y regiones dopadas p bajo las
conexiones del drenado y del surtidor. Los terminales permanecen tal como se
indicaron, pero están invertidas todas las polarizaciones del voltaje y las direcciones
de corriente. Las características de transferencia serán una imagen de espejo
(respecto al eje ID) de la curva de transferencia de la figura 3.6, pero con ID
creciendo con los valores cada vez más negativos de VGS después de VT. Se
aplican las mismas ecuaciones que para los MOSFET de canal-n.
MOSFET DECREMENTAL
Se difunde un canal-n entre fuente y drenador lo cual hace circular una apreciable
corriente de drenador “IDSS” cuando hacemos VGS = 0 Volt y aplicamos una
tensión VDS entre los terminales drenaje y fuente.
Aun cuando existen grandes similitudes entre las curvas de transferencia de los
JFET y de los MOSFET y que permiten realizar un análisis muy parecido en el
dominio de DC, los MOSFET de tipo decremental permiten trabajar con puntos de
operación con valores VGS positivos y niveles de ID que exceden el valor de IDSS.
Nos queda la pregunta: ¿Hasta dónde deberá extenderse la curva de transferencia
hacia la región de valores positivos de VGS y hacia valores de ID mayores de IDSS
Para que un transistor de efecto de campo funcione no es necesario suministrar
corriente al terminal de puerta o graduador. Teniendo en cuenta esto, se puede
aislar totalmente la estructura de la puerta de la del canal. Con esta disposición se
consigue eliminar prácticamente la corriente de fuga que aparecía en dicho terminal
en los transistores JFET. En la siguiente figura se puede apreciar la estructura de un
MOSFET de canal N.
Este componente, puede funcionar tanto en la forma de empobrecimiento como de
enriquecimiento, como puede observarse en la siguiente figura:
La forma de trabajo de empobrecimiento se explica debido a que los electrones de la
fuente pueden circular desde el surtidor hacia el drenador a través del canal estrecho
de material semiconductor tipo N. Cuanto mayor sea la diferencia de potencial
VDDaplicada por la fuente, mayor será esta corriente. Como ocurría con el JFET, la
tensión negativa, aplicada a la puerta, produce un estrechamiento en el canal,
debido al empobrecimiento de portadores, lo que hace que se reduzca la corriente
de drenador. Aquí se aprecia claramente que, el fenómeno de control se realiza a
través del efecto del campo eléctrico generado por la tensión VGG de la puerta.
Debido a que la puerta está aislada del canal, se puede aplicar una tensión positiva
de polarización al mismo. De esta manera, se consigue hacer trabajar al MOSFET
en enriquecimiento. Efectivamente, la tensión positiva del graduador provoca un
aumento o enriquecimiento de electrones libres o portadores en el canal, de tal
forma que, al aumentar la tensión positiva VGG, aumenta también la corriente de
drenador.
Curvas características
En la siguiente figura, abajo a la izquierda, se muestra el ejemplo de una familia de
curvas de drenador de un MOSFET de empobrecimiento de canal N.
Obsérvese cómo en esta curva aparecen tanto tensiones negativas de VGS (trabajo
en modo de empobrecimiento), como positivas (trabajo en modo de
enriquecimiento). La corriente más elevada se consigue con la tensión más positiva
de VGS y el corte se consigue con tensión negativa de VGS.
De esta familia de curvas se puede obtener la curva de transconductancia, que nos
indica la relación que existe entre VGS e ID. Ésta posee la forma que se muestra en la
siguiente curva abajo a la derecha:
Obsérvese cómo esta curva aparece dibujada en los dos cuadrantes del eje de
tensiones. Esto es debido a que el MOSFET puede operar tanto con tensiones
positivas como negativas. Por esta razón, la corriente IDSS, correspondiente a la
entersección de la curva con el eje ID, ya no es la de saturación.
Como ocurría con el JFET, esta curva de trasconductancia es parabólica y la
ecuación que la define es también:
Según se puede apreciar en la curva de transconductancia de un MOSFET, este tipo
de transistor es muy fácil de polarizar, ya que se puede escoger el punto
correspondiente a VGS=0, ID=IDSS. Cuando éste queda polarizado así, el transistor
queda siempre en conducción o, normalmente, encendido.
CONSTRUCCION BASICA
El término MOSFET significa transistor de efecto de campo metal-óxido-
semiconductor. La construcción básica del MOSFET de tipo decemental de canal n
se muestra en la siguiente figura. Una placa de material tipo p está formada a partir
de una base de silicio y se le conoce como substrato, que es la base sobre la que se
construye el dispositivo, muchos dispositivos discretos ofrecen una terminal adicional
etiquetada SS, dando por resultado un dispositivo de cuatro a compuerta se
encuentra conectada también a una superficie de contacto metálico, pero permanece
aislada del cana n por medio de una capa muy delgada de dióxido de silicio (SiO2).
El hecho de que la capa SiO2 es una capa aislante, revela el siguiente hecho:
No existe conexión eléctrica directa entre la terminal de la compuerta y el canal de
un MOSFET.
Adicionalmente:
Se debe a la capa aislante de SiO2 del MOSFET explica la alta impedancia, muy
deseable, de entrada del dispositivo.
De hecho, la resistencia de entrada de un MOSFET es a menudo igual a la del JFET
normal, aun cuando la impedancia de entrada de la mayoría de los JFET es lo
suficientemente alta para la mayoría de las aplicaciones. La muy alta impedancia de
entrada continúa soportando totalmente el hecho de que la corriente de entrada (IG)
es una esencia de cero amperes para las configuraciones de polarización de dc.
MOSFET DE TIPO DECREMENTAL DE CANAL p
La construcción de este tipo de MOSFET es exactamente al inverso (por el tipo de
dopado) del canal tipo n , con la pequeña excepción , de que ahora existe un
substrato de tipo n y un canal de tipo p, como se mostrará mas adelante, las
terminales permanecen como se encuentran identificadas, pero todas las
polaridades de los voltajes y las direcciones de las corrientes están invertidas, como
lo muestra las misma figura, pero con valores negativos de VDS, ID positiva como se
indica, y VGS traerá una imagen de espejo para las características de transferencia.
1.2 Referencias bibliográficas
[ebrary], Electrónica de potencia. Tercera edición, Miguel Ángel Toledo Castellanos, 2004, México D. F., http://site.ebrary.com/lib/utasp/docDetail.action?docID=10565530&p00=mosfet+incremental
[ebrary], Circuitos electrónicos básicos, López Dorado , Almeida Martínez Arribas Alejandro, 2011, Alcalá http://site.ebrary.com/lib/utasp/docDetail.action?docID=10584062&p00=mosfet+incremental
Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, Octava Edición, 2003, México,